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基于ISA100.11a工业物联网的中间件设计与实现

更新时间：2019-12-24 08:15:31 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：工业物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

随着工业物联网的快速发展,为普及ISA100.11a标准在工业现场的广泛应用,提出了一种基于该标准的应用中间件系统方案.基于Linux开发环境,采用嵌入式软件设计方法设计了中间件系统.该中间件系统具有标准的服务接口和完备的数据库接口,降低了基于ISA100.11a标准的工业物联网系统的开发难度,缩短了开发周期,提高了可移植性和通用性.测试结果表明,该中间件系统可以和符合标准的任意网关设备连接,能够实时准确地将数据送给数据库,并能够加快在工业现场的部署和应用.

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基于IsAl00．11a工业物联网的中间件设计与实现支亚军。等

基于ISAlOO．11

a工业物联网的中间件设计与实现

and

of ISAl 00．1 1 a-based MiddIeware

Design

of the

ImpIementation

IndustriaI IOT

扬

支丕琴1

绻建每1

夸2

(西安航天自动化股份有限公司1，陕西西安710065；西安邮电大学自动化学院2，陕西西安710061)

摘要：随着工业物联网的快速发展，为普及ISAloo．11a标准在工业现场的广泛应用，提出了一种基于该标准的应用中间件系统方

案。基于IJillux开发环境，采用嵌入式软件设计方法设计了中间件系统。该中问件系统具有标准的服务接口和完备的数据库接口，降

低了基于lSAloo．11a标准的工业物联网系统的开发难度，缩短了开发周期，提高了可移植性和通用性。测试结果表明，该中间件系统

可以和符合标准的任意网关设备连接，能够实时准确地将数据送给数据库，并能够加快在工业现场的部署和应用。

关键词：工业物联网

IsAloo．11a中间件网关网关服务接人点(GsAP) 现场总线云计算

中图分类号：7rP273；TH86

Abstract：Witll t王le

文献标志码：A

DOI：10．16086／j．cIlki．issnl000一0380．201512012

of indtls矗al IIltemet

t}le

of IsAloo．1la st蛐dard in

rapid deVel叩ment

t}Iings-in order蛔poptdarize

application

on I面ux

middleware

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砌us伍al右eld-山e

system印pⅡcation

proposed．Ba∞d

middleware

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IIliddleware

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deployment龃d ap汕cation

precisely

iIl indus击al field．

Middleware

10T ISAl00．11a

service access

Field bus Cloud

computiIlg

Ke卯rords：Indus击al

Gateway Gateway

point(GSAP)

过程控制协议方面进行规定和描述。如果不同厂商采

用私有协议来设计网关和Web服务之间的通信M]，通

用性和可移植性较差，并且难以维护，不利于产品推广

和网络升级。

O引言

目前，在传统的工业网络基础上融合互联网、无线

传感器网络以及现场总线网络等异构网络，将具有环

境感知能力的各种终端、云计算模式、移动通信、实时

通信等不断融人工业生产的各个环节的网络统称为工

业物联网。工业物联网成为研究和发展的新方向¨ 。。

针对工业无线传感网络部分，国际主流的协议有三种，

针对以上问题，本文设计了介于网关和Web服务

之间的中间件系统，不仅使服务接口标准化，而且增强

了监控和管理的Web系统的通用性和可移植性，有利

于产品维护升级和广泛应用部署。

HART和WIA—PA。

分别是ISAl00．11aHl、wireless

1系统拓扑结构

ISAl00．11a是第一个开放的、面向多种工业应用

的标准¨ 1，其主要特征为：提供过程工业应用服务，包

括工厂自动化；提供等级1(非关键)到等级5的应用；

跳信道的方式支持共存和增加可靠性；提供本地和隧

道协议，以实现广泛的可用性；现场设备具有支持网状

和星型结构的能力。然而，该协议未对网络实时监控、

姒100．11a标准中对无线网络和网关有详细的描

述，但没有对工业现场网络监控管理功能做规范要求，仅

senrice access

仅规范了网关服务接入点(gaieway

poim，

GSAP)的接口要求。根据标准中GSAP的内容描述，文章

提出了符合该接口信息的中间件系统方案。中间件逻辑

位置介于网关和web服务器之间，是用户进行web访问

的关键部分。图1描述了系统网络拓扑结构。

西安市科技计划基金资助项目(缩号：Cxl409)。

修改稿收到日期：2015一03—06。

第一作者支亚军(1982一)，男，20lO年毕业于西安邮电大学计算机

应用技术专业，获硕士学位，工程师；主要从事无线通信技术、物联网技

术的研究。

图l中虚线框内为符合IsAl00．11a标准的网络

系统。现场终端设备通过骨干路由设备与网关设备连

《自动化仪表》第36卷第12期2015年12月

万方数据

基于ISAl00．118工业物联网的中间件设计与实现支亚军，等

更新数据库中的信息以及从数据库读取命令。中间件

接，实现ISAl00．1la传感网部分功能。网关设备和中

间件模块可通过不同硬件设备部署，也可以作为一体

机部署在同一个硬件设备上。中间件通过以太网接口

将数据包发送给网关设备，网关设备将符合ISAl00．

1la标准的信息以IP数据包的形式发送给中间件，中

间件接收解析网络数据包，并保存于数据库中。web

服务器通过访问数据库来获取ISAl00．11a的网络运

系统启动后，请求命令生成模块从数据库获取预配置

命令并添加到周期业务列表中，通过查找周期业务列

表获取周期性业务，然后创建命令并将命令发送到网

关，等待接收响应帧。当网关侧接口模块接收并解析

数据包后，送给响应命令处理模块进行解析，最后调用

数据库访问接口模块将数据写入数据库的对应表中，

完成一次周期命令的执行过程。根据周期业务列表循

环判断是否还有未执行的请求业务，如果有则继续执

行该流程，否则完成本次所有请求业务。中间件的业

务处理流程如图3所示。

行状态和设备信息；用户通过访问web服务器来达到

监控和管理网络及设备目的。

开始

获取预设命令

并添加到周期业务列表

查找周期业务列表，

发送命令请求数据到网关

解析处理响应数据．

更新数据库中的表

l／o现场设备

1／()现场设备 I，()现场设备

l／()现场设备

图1

系统网络拓扑

Network

0f tIle

sy8tem

Fig．1

topolog)r

挲

2中间件设计

图3 中间件业务处理流程

The bllsiness

now ofⅢiddleware

p日0cess

Fig．3

2．1结构流程

2．2数据库描述

中间件为Web服务器的访问提供数据服务和管理

服务的功能，其体系结构如图2所示。

中间件的业务处理过程需要与数据库进行交互，包

括请求命令生成和响应命令处理两个过程。其中，请求

命令生成过程为：请求命令生成模块调用数据库访问接

口模块与数据库建立连接，并读取数据库中的预配置命

令，之后再执行读取的预配置命令，进行命令请求的创

建过程。响应命令处理过程为：响应命令处理模块解析

完成响应数据后，通过调用数据库访问接口模块与数据

库建立连接，并将响应数据写入数据库的表中。

中间件

数

网

据

．1命令瓿块卜

关

侧

库

访

数

馨

●——’

接

口

问

接

口

一命令簋耋模块卜

图2中间件的体系结构

0f‰ Ini础eware

Fig．2肌llitecture

数据库中表的类型以及内容按照IsAl00．1la协议

中网关的GSAP接口信息来设计，为Web服务器应用提

系统内部结构包括：请求命令生成模块、响应命令

处理模块、网关侧接口模块、数据库访问接口和数据库。

其中，请求命令生成模块主要负责从数据库读取预配置

的命令，创建命令以及添加命令参数，调用网关侧接口

将命令发送给网关。响应命令处理模块主要负责解析

从网关接收到的响应数据，调用数据库访问接口将数据

写入数据库。网关侧接口模块主要负责与网关设备建

立TCP连接，将消息封装成IP数据包格式，通过socket

机制发送给网关，并接收解析来自网关的数据包。数据

库访问接口模块主要负责对数据库进行读写操作，包括

供实时准确的网络信息。数据库的实现采用MysQL数

据库，数据库访问接口模块通过MysQL命令来访问。

数据库的表与网关服务原语的信息映射，把通过网关服

务原语的关于网络设备的信息存储到数据库不同的表

中，最终为web用户提供实时可靠的网络信息。

数据库中的表按照功能分为三类：命令类表、设备

信息表和网络信息表。命令类表主要存储web应用

的请求和配置命令，并记录命令的执行结果。设备信

息表主要存储ISAl00．1la网络中各设备的信息，包括

PROCESS AUTOMA耵ON INSTR咖NTAllON VoL 36 N仉12 De∞mber 2015

万方数据

基于ISAl00．11a工业物联网的中间件设计与实现支亚军，等

设备属性、设备信道、设备连接状态、设备调度信息和

2．3与网关设备通信

设备采集信息。网络信息表主要存储ISAl00．11a网

根据IsAl00．11 a标准的描述，网关要具备为外部

Host—Level应用提供GSAP接口的功能。中间件通过

与网关的GsAP模块迸行通信来提供数据服务和管理

服务，包括请求命令处理和响应命令处理两个过程。

请求命令处理过程：请求命令生成模块创建命令请求

后调用网关侧接口模块，网关侧接口模块将命令请求

按照固定数据包格式封装后发送给网关。响应命令处

理过程：网关侧接口模块接收数据包后并完成响应命

令数据的拷贝，再由响应命令处理模块对响应数据进

络的属性和信息，包括网络分配的所有Contract信息、

网络健康报告信息、网络路由信息和网络拓扑信息。

数据库中表的条目及内容的描述如表1所示。

表l数据库表条目及内容描述

Tab．1

Datab哪ta№eⅡtries蚰d conteⅡt

d嘲一岬on

表名称

内容描述

(’ommandSd

命令执行情况

Con ands

需要执行的命令

DevicesInf0

DeviceCh∞nels

设备属性、数据包个数、电量等

设备通道编号及名称、源节点

设备采集的数据

行解析处理。表2详细描述了请求命令及响应命令的

内容。

DeViceReadiⅡ挚

网关接收到命令请求后会根据命令类型执行相应

的操作，最后返回响应数据。一部分响应数据携带有

设备信息或网络信息；另外一部分响应数据携带有网

关对命令请求的执行是否成功的标志或对命令请求执

行的时间等信息。中间件解析网关返回的响应数据并

访问数据库，更新数据库中的对应表。

DeviceConnections

设备的连接信息

De访ceHealthHistoⅣ

DevjcescheduleLink6

Networ|【Connacts

NetworkHealth

设备的健康状况历史记录

设备的链路信息

网络conhact信息

网络健康报告

NetWorkRout髑I山

网络路由信息

NetworkT0p010影G班phs

网络拓扑信息

表2命令请求及对应的响应内容

Cm眦删nqu嚣ts卸d∞r惜ponmng腿sp伽靶∞Dtents

Tab．2

下面就表2中的部分关键命令做详细的介绍，包

括命令的描述以及相关参数等。

ID、会话周期及会话状态等信息。解析完会话响应后，

中间件从数据库的Co咖ands表中获取所有的命令并

添加到请求命令生成模块的周期业务列表中。中间件

(1)会话及kase的创建：建立会话的主要目的是

方便中间件和网关设备进行资源的分配与回收，以及

通信资源的管理。因此，中间件在运行时首先需要与

网关之间建立会话连接，该会话保持直到连接断开或

会话终止。Lease的创建主要服务于各种命令的执行，

查找周期业务列表执行各种命令之前，首先要判断该

服务请求和网关是否建立Lease，如果没有建立，则需

要执行创建Lease过程。中间件发起Lease请求命令

到网关，网关回复响应命令，中间件进行响应数据的解

析，完成Lease建立过程。Le鹊e创建成功后，中间件

和网关之间才能进行正常的数据交互。会话及Lease

创建的命令执行过程如图4所示。

保证不同管理服务的通信可靠和资源保障。

中间件发起会话创建的请求命令到网关，网关接

收到请求后会圆复响应命令。该响应命令携带会话

《自动化仪表》第36卷第12期加15年12月

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